2023年神奇的“火花”绚丽的绽放.docx

神奇的“火花〞：绚丽的绽放 伏金娟　朱会颖 当人们提到火花的时候，自然会想到每年春节的火焰、国庆大典燃放的礼花，特别是2022年8月8日在北京举办的第28届奥运会开幕式的礼花，它们的绽放，给人们的生活增加了快乐，给北京奥运会增添了无与伦比的喜庆。但是还有一种神奇的火花，在我们生活中经常能够接触到，就是当我们在插拔开关的时候由于电腐蚀出现的放电火花。 这种火花放电引起触点腐蚀现象被苏联伟大的学者拉扎连科夫妇所关注。在1943年5月，这对夫妇采用逆向思维方法，从克服、防护电腐蚀变为利用电腐蚀进行加工，在第二次世界大战的关键时刻，成功地利用这种加工方法解决了当时苏联坦克和武器装备中经常出现的一些问题，开创和创造了变有害的电腐蚀为有用的电火花加工方法。这项创造摆脱了传统的切削加工方法，直接利用电能和热能去除金属，引起了世界巨大的轰动。66年过去了，星星之火，已成燎原之势。现在，放电加工的火花已经“绽放〞到世界各个角落，我们生活中处处离不开电火花加工，各个领域都印刻着火花放电加工的痕迹。 那么，什么是电火花加工呢其实它是与机械加工性质完全不同的一种新工艺、新技术。机械加工是通过机床部件的相对运动，用比工件材料硬的刀具切除工件上多余的局部来得到成品零件的，是由电能转化为机械能进行加工的方法。而电火花加工是利用两极间脉冲放电时产生的电腐蚀现象，直接利用电能对材料进行加工的方法。它已成为先进制造技术中最重要的局部之一。 电火花加工的原理，如图1所示，加工时工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，并浸入工作液中或将工作液充人放电间隙。通过伺服进给机构控制工具电极向工件进给，当间隙小到一定距离时，两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电。在放电的微细通道中瞬时集中大量的热能，温度可高达1万摄氏度以上，压力也产生急剧变化，从而使这一点工作外表局部微量的金属迅速熔化、气化，并爆炸式地飞溅到工作液中，迅速冷凝，形成固体的金属微粒，被工作液带走。这时在工件外表上便留下一个微小的凹坑痕迹。连续不断重复上述过程，虽然每一次放电蚀除的金属量极少，但因每分钟有成千上万次脉冲放电作用，就能蚀除较多的金属(见电火花加工放电爆炸过程录像)。在保持工具电极与工件之间恒定放电间隙的条件下，一边蚀除工件金属，一边使工具电极不断地向工件进给，最后便加工出与工具电极形状相对应的工件来。工具电极常用导电性良好、熔点较高、易加工的耐电蚀材料，如铜、石墨、铜钨合金和钼等。工作液作为放电介质，在加工过程中还起着冷却、排屑等作用。常用的工作液是粘度较低、闪点较高、性能稳定的介质，如煤油、去离子水和乳化液等。 电火花加工最突出的三大特点：第一，“以柔克刚〞。能用“软〞的工具电极加工“硬〞的工件。如用石墨、紫铜电极(见图2：可爱的小猫咪紫铜电极)，在淬火钢或硬质合金材料上加工模具，甚至用紫铜电极可加工世界上最硬的金刚石材料(见图3：拉拔导线的各种规格聚晶金刚石拉丝模具)。第二，“精密微细〞。由于放电能量密度可精确控制，又无宏观机械作用力，因此可实现精密微细的加工。如加工比头发丝还要细的窄缝、窄槽，微细小孔等模具和零件，加工精度可达微米级，甚至亚微米级(见图4：铜电极粗线条宽701aM，细线条宽501uM)。第三，“仿形逼真〞。电火花加工使用的工具电极可以做成各种各样的形状或复杂型面、精细图案的三维型体，而机械加工只能用圆形柱状或盘状刀具、砂轮，因此，只要改变工具电极的外形和工具电极与工件之间的相对运动方式，就能加工出各种的仿形逼真工件，图5是加工玩具飞天女娃的成形模具照片，照片的右边是雕刻精细的紫铜电极，左边是加工好的两个型腔。 电火花加工的应用：经过半个多世纪的研究和开发，作为一种极其重要的加工手段，电火花加工技术在机械、宇航、航空、电子、仪器、轻工、汽车等领域获得了广泛应用。近年来，随着现代科学技术，尤其是微电子、自动控制和计算机技术的不断进步，电火花加工技术也得到了飞速开展。现在电火花加工技术在中国已广为应用。目前，中国已拥有200多家电火花成形机床和电火花线切割机床的专业化制造厂，每年电火花加工机床产量以10％～20％的速度增长。全国已有一支20万人以上的电加工技术产业工人队伍，在航天、航空、机械、电子、模具制造等领域发挥着重要的作用。图6是北京市电加工研究所生产的高新技术产品——精密数控电火花成形加工机床，在该机床上集中表达了先进的精密机械技术、计算机技术，自动控制技术、微电子技术、电力电子技术、智能化技术、数控技术等现代科学技术，可加工出航空航天上的尖端复杂零件和像工艺品外表一样的精密微细、高光亮度的零件。图7是航空精锻模具； 图8是加工的六棱锥镜面零件，里面放的是红樱桃，六个面都映照出它鲜红的影子； 同样图9是镜面加工样品照片，其外表可清晰地像镜子一样映照出钢板尺的形状和颜色。 其实电火花加工技术的应用与我们日常的生活是密切相连的。 当我们开始使用着喜爱的，开着舒适的汽车，带上精美的眼镜、手表， 82科技智囊2022午8月拿起造型各异的杯子喝水，翻开电视欣赏着节目，翻开音响听着动人的音乐时，您可曾想到那其中很多零件都是通过电火花加工机床加工的模具生产出来的，处处渗透着电火花加工技术的完美杰作。请看，图10a是手表指针凸、凹模具，图10b是手表指针图形，最小内圆角R0.017mm，加工精度≤2um。图11是现代仿生学的精密蜂窝眼镜模具照片，照片的下面是雕刻精细的紫铜电极，上面是加工好的两个模具。模具的尺寸精度、配合精度及曲线形细槽都是机械加工很难实现的。 当人们给亲人、朋友、同事、客户打 或发 时，您手中拿的功能齐全、外形大方、手感舒适的 、 机以及使用的 时机使您感到赏心悦目、爱不释手，感到心情愉悦、工作有干劲，效率更高、成绩更大，这同样是使用电火花加工技术的结果。图12是 前盖模具，图13是 机机座模具。 当学生们拿着米老鼠或其他各种卡通造型的MP3欣赏着音乐、听着外语，孩子们玩着永远玩不够的塑料环保平安玩具时，这些学生和孩子们在学到知识、享受着快乐的时候，也感受到了电火花加工技术的作用。图14是电火花加工的一种造型的MP3外壳模具。图15是电火花加工的一种潜水艇塑料玩具的上盖模具。 这些神奇的火花不仅在人们日常生活中发挥作用，还在航空、航天、军工、石油勘探、IT行业等等发挥巨大作用，展现出它的无穷魅力。 人们记忆犹新的我国首次载人太空船神舟五号上天，杨利伟在太空展示中国国旗和联合国旗(见图16)冲动地呼出 “祖国万岁〞的时候，我们和祖国人民一样由衷地自豪，因为，那里同样有神奇的火花奉献的一份力量，运载火箭发动机的很多关键件都有用电火花加工的。就连杨利伟荣获的“航天功勋奖章〞也是北京市电加工研究所利用电火花加工技术加工的模具制作的。也正如一位航天集团的资深专家在一次特种加工技术会议上说到：“没有特种加工(电火花加工)，就没有神五的上天，就没有我国的航天、航空制造业〞，由此可见电火花加工技术在先进制造技术中的重要位置。 新世纪，随着工业生产的开展和科学技术的进步，具有高熔点、高硬度、高强度、高脆性、高粘性、高韧性、高纯度等性能的新材料不断出现，具有各种复杂结构与特殊工艺要求的工件越来越多，电火花加工技术的优势越来越突显，开展和应用越来越广泛。歼十战斗机(见图17)，嫦娥一号(见图18)，长征火箭(见图19)，以及备受瞩目的大飞机及先进歼击机，里面都有一些共同的关键精密零部件，那就是航空发动机里的机匣蜂窝件、各类叶片和整体叶盘。这些零件的结构特点是薄壁结构，形状复杂，外形变斜角变化大，外形多为双曲面，要求成形精确，而且孔、空穴、沟槽、加强筋等多，工艺刚性较差。另外，为减轻飞机重量，大量采用铝合金、钛合金、耐高温合金、高强度钢、复合材料等，为提高零件强度和工作可靠性，增加飞机的机动性和增加有效载荷和航程，主要采用整体毛坯件和整体薄壁结构。这些都是电火花加工技术大显身手，发挥作用之处。 另外，在石油行业用的多头聚晶金刚石石油地质钻头、石油钻井机上用的花瓣柔性联轴器(见图20)，摩托车发动机的后盖(见图21)，加工各种款式的门、家具使用的木工刀具(见图22)，上百条腿的集成电路引线模具(见图23)等等的加工，数不胜数，都是电火花加工技术在默默地耕耘，发挥神奇的作用。 当年的拉扎连科教授可能根本也想不到他创造的电火花加工技术现在已成为2l世纪引领潮流的绝妙创造。这电火花加工的火花是多么的神奇、多么的有魅力，给了我们从事电火花加工的科技工作者一个多么大的舞台，吸引了多少有识之士倾尽毕生精力。它鼓舞我们用更高、更快、更强的精神勇攀顶峰，让神奇的火花在神州大地上更加绚丽地绽放吧!